2019-2020学年物理人教版选修3-2（浙江新高考专用）讲义：第五章 交变电流 3 Word版含答案.pdf

3 电感和电容对交变电流的影响 电感和电容对交变电流的影响 知识内容选考要求课时要求 电感和电容对交变电流的 影响 b 1.知道电感器和电容器对交变电流有阻碍作 用. 2.知道电感器和电容器对交变电流的阻碍作 用与哪些因素有关. 3.能利用电感器、电容器的特点定性分析简 单的问题. 一、电感器对交变电流的阻碍作用 1.在交流电路中， 若绕制电感器的导线的电阻忽略不计， 电感器对交流有(填 “有” 或 “没有” ) 阻碍作用. 2.线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用越大. 3.电感线圈在电路中的作用：通直流，阻交流；通低频，阻高频. 二、电容器对交变电流的阻碍作用 1.电容器接到交流电源两端时，交替地进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流 “通过”了电容器. 2.电容器的电容越大，交流电的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用越小. 3.电容器在电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频. 1.判断下列说法的正误. (1)线圈的匝数越多，对同一个交变电流的阻碍作用就越大.( ) (2)线圈对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率的变大而减小.( × ) (3)电流“通过”电容器，并不是电荷穿过电容器两极板间的绝缘层到达另一极板，而是电容 器不断地充放电的表现.( ) (4)电容器的电容越大，对同一交变电流的阻碍作用就越大.( × ) 2.在频率为 f 的交变电流电路中，如图 1 所示，当开关 S 依次分别接通 R、C、L 支路，这时 通过各支路的电流有效值相等.若将交变电流的频率提高到 2f，保持其他条件不变，则通过 R 的电流有效值_，通过 C 的电流有效值_，通过 L 的电流有效值_.(选 填“变大”“变小”或“不变”) 图 1 答案 不变 变大 变小 一、电感器对交变电流的阻碍作用 如图所示，把带铁芯的线圈 L 与小灯泡串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到 有效值等于直流电源电压的交流电源上. (1)两种情况下灯泡的亮度有什么不同？说明了什么？ (2)乙图中换用自感系数更大的线圈或调换频率更高的交流电源，灯泡的亮度有何变化？说明 了什么？ 答案 (1)甲图中灯泡比乙图中灯泡更亮，说明电感器对交变电流有阻碍作用. (2)不论是换用自感系数更大的线圈还是调换频率更高的交流电源，灯泡均变得更暗，说明线 圈的自感系数越大，交流电的频率越高，线圈对交流电的阻碍作用越大. 交变电流通过电感器时，由于电流时刻在变化，在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动 势总是阻碍原电流的变化，故电感器对交变电流产生阻碍作用. 例 1 (多选)如图 2 所示实验电路中，若直流电压和交变电压的有效值相等，S 为双刀双掷 开关，下面叙述正确的是( ) 图 2 A.当 S 掷向 a、b 时灯较亮，掷向 c、d 时灯较暗 B.当 S 掷向 a、b 时灯较暗，掷向 c、d 时灯较亮 C.S 掷向 c、d，把电感线圈中的铁芯抽出时灯变亮 D.S 掷向 c、d，电源电压不变，而使频率减小时，灯变暗 答案 AC 解析 线圈对直流无阻碍作用， 对交变电流有阻碍作用， 当交流电频率减小时， 阻碍作用变小， 灯变亮；有铁芯时阻碍作用大，故铁芯抽出时灯变亮. 二、电容器对交变电流的阻碍作用 如图甲、乙所示，把灯泡和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流 电源上. (1)观察灯泡的发光情况，并分析原因. (2)若把图乙中的电容器去掉，变成图丙所示电路，会发生什么现象？说明了什么？ (3)在图乙中，改变电容器的电容和电源频率，灯泡亮度会有什么变化？说明了什么？ 答案 (1)题图甲中的灯泡不亮， 题图乙中的灯泡亮.题图甲中的电源是直流电源， 电容器在电 路中相当于断路，电路中没有电流，灯泡不亮.题图乙中的电源是交流电源，把交流电源接到 电容器两个极板上后，电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交流“通过” 了电容器，灯泡就亮了，但实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质. (2)灯泡变得比乙中亮，说明电容器对交变电流有阻碍作用. (3)电容越大，灯泡越亮 ； 频率越高，灯泡越亮.说明了电容器的电容和交变电流的频率都对电 容器对交变电流的阻碍作用有影响. 1.电容器对交变电流的阻碍作用： 电源电压推动自由电荷定向移动，而电容器两极板上积累的电荷抗拒自由电荷的定向移动， 从而使电容器对交变电流有阻碍作用. 2.电容器在电路中常见的作用有两种： 隔直电容器：通交流，隔直流. 高频旁路电容器：通高频，阻低频. 例 2 如图 3 所示，电路由交流电源供电，最大电压保持不变，如果交变电流的频率升高， 则下列说法中正确的是( ) 图 3 A.电容器上的电荷量最大值增大 B.电容器对交变电流的阻碍作用增大 C.电路中灯泡的亮度变亮 D.电路中灯泡的亮度变暗 答案 C 解析 当交变电流的频率升高时，电容器对交变电流的阻碍作用减小，灯泡的亮度变亮，灯 泡两端的电压变大，故选项 C 正确，选项 B、D 错误；由 QCU 可知，选项 A 错误. 例 3 (多选)(2018·台州市高二检测)图 4 甲、乙两图是电子技术中的常用电路，a、b 是各部 分电路的输入端，其中输入的交流高频成分用“”表示，交流低频成分用“”表示， 直流成分用“”表示.关于两图中负载电阻 R 上得到的电流特征是( ) 图 4 A.图甲中 R 得到的是交流成分B.图甲中 R 得到的是直流成分 C.图乙中 R 得到的是低频成分D.图乙中 R 得到的是高频成分 答案 AC 解析 当交变电流加在电容器上时，电容器有“通交流、隔直流，通高频、阻低频”的特性， 题图甲中电容器隔直流，R 得到的是交流成分，A 正确，B 错误；题图乙中交流高频成分能 通过电容器，电容器阻碍交流低频成分，R 得到的是低频成分，C 正确，D 错误. 三、电阻、电感、电容的对比 例 4 (多选)如图 5 所示的电路中，A、B、C 三灯亮度相同，电源为 220 V、50 Hz 的交流 电源，以下叙述中正确的是( ) 图 5 A.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变亮，B 灯变暗，C 灯亮度不变 B.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变暗，B 灯变亮，C 灯变亮 C.改接 220 V 的直流电源时，A 灯熄灭，B 灯变亮，C 灯亮度不变 D.改接 220 V 的直流电源时，A 灯熄灭，B 灯变亮，C 灯变暗 答案 AC 解析 增加交流电源的频率时，线圈的阻碍作用增大，电容的阻碍作用减小，电阻的阻碍作 用不变，故 A 灯变亮，B 灯变暗，C 灯亮度不变，故 A 正确，B 错误；改接直流电源时，电 容器相当于断路，A 灯熄灭，线圈无感抗，B 灯更亮，电阻 R 阻碍作用不变，C 灯亮度不变， 故 C 正确，D 错误. 1.电阻对交流、直流有相同的阻碍作用，交流频率变化时，阻碍作用不变. 2.电感器通直流、阻交流，通低频、阻高频. 3.电容器通交流、隔直流，通高频、阻低频. 4.在分析电流变化时，把电感、电容的阻碍作用类比于导体的电阻，再用欧姆定律分析. 1.(电感器对交变电流的影响)(多选)(2017·温州中学高二上学期期中)在如图6所示的电路中， L 为电感线圈， 灯泡的电阻值为R， 电流表内阻为零， 电压表内阻无限大， 交流电源的电压u220 sin 100t (V).若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为 100 Hz，下列说法正确的是2 ( ) 图 6 A.电流表示数增大 B.电压表示数增大 C.灯泡变暗 D.灯泡变亮 答案 BC 解析 由 u220sin 100t (V)，可得电源原来的频率 f Hz50 Hz，当电源频2 2 100 2 率由原来的 50 Hz 增为 100 Hz 时，线圈对交流电的阻碍作用变大，在电压不变的情况下，电 路中的电流减小， 选项A错误 ； 灯泡的电阻值R是一定的， 电流减小时， 实际消耗的电功率(P I2R)减小，灯泡变暗，选项 C 正确，D 错误；电压表与电感线圈并联，其示数为线圈两端的 电压 UL，设灯泡两端电压为 UR，则电源电压的有效值为 UULUR，因 URIR，电流 I 减 小，故 UR减小，因电源电压的有效值保持不变，故 ULUUR增大，电压表示数增大，选 项 B 正确. 2.(电感器对交变电流的影响)(2017·衢州市高二检测)电感对交变电流影响的说法中， 正确的是 ( ) A.电感对交变电流没有阻碍作用 B.电感对交变电流阻碍作用跟线圈自感系数 L 有关 C.电感对交变电流的阻碍作用跟交变电流的频率无关 D.线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越小 答案 B 解析 电感对交流电有影响， 其阻碍作用的大小和线圈的自感系数 L、 交流电的频率 f 有关， L 越大，f 越高，阻碍作用越大，故选项 B 正确，A、C、D 均错误. 3.(电容器对交变电流的影响)如图 7 所示的电路，F 为一交流发电机，C 为平行板电容器，为 使电流表 A 的示数增大，可行的办法是 ( ) 图 7 A.使发电机 F 的转速增大 B.使发电机 F 的转速减小 C.在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介质 D.使电容器两极板间的距离增大 答案 A 解析 当发电机转速增大时，交变电流的频率增大，电容器对交变电流的阻碍作用减小，电 流表 A 的示数增大，A 项正确，B 项错误；在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介 质时，电容器的电容减小，电容器两极板间距离增大时电容也减小，当电容减小时，对交变 电流的阻碍作用增大，电流表 A 的示数减小，C、D 项错误. 4.(电阻、电感、电容的对比)(多选)如图 8 所示的电路中，a、b 两端连接的交流电源中既含高 频交流，又含低频交流，L 是一个高频扼流圈，C 是一个 100 pF 的电容器，R 是负载电阻， 下列说法正确的是( ) 图 8 A.L 的作用是“通低频，阻高频” B.C 的作用是“通低频，隔高频” C.C 的作用是“通高频，阻低频” D.通过 R 的电流中，低频交流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比 答案 ACD 解析 因为 L 是一个高频扼流圈，“通低频，阻高频” ，A 选项正确 ； C 是一个电容较小的电 容器，所以对低频交流的阻碍作用较大，故选项 C 正确，B 错误；根据分析可知通过电阻 R 的电流中，低频交流所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项 D 正确. 考点一 电感器对交变电流的阻碍作用 1.(2017·绍兴市高二检测)一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图 1 所示. 一铁棒插进线圈后，该灯将( ) 图 1 A.变亮 B.变暗 C.对灯的亮度没影响 D.无法判断 答案 B 2.如图 2 所示的电路中，正弦交流电源的电压有效值为 220 V，则关于交流电压表的示数，以 下说法中正确的是( ) 图 2 A.等于 220 V B.大于 220 V C.小于 220 V D.等于零 答案 C 3.如图 3 所示，交流电源的电压有效值与直流电源的电压相等，当将双刀双掷开关接到直流 电源上时，稳定后灯泡的实际功率为 P1，而将双刀双掷开关接在交流电源上时，稳定后灯泡 的实际功率为 P2，则( ) 图 3 A.P1P2 B.P1P2 C.P1P2 D.不能比较 答案 B 解析 接在直流电源上，稳定后线圈对直流没有阻碍作用，电能全部转化为灯泡的内能和光 能， 而当接至交流电源上时， 线圈对电流有阻碍作用， 因此电能除转化成灯泡的内能和光能外， 还有一部分电能转化为磁场能，故 P1P2. 4.(多选)如图 4 所示，图甲、乙中电源为交流电源，图丙中电源为直流电源，各电路中线圈自 感系数相同且直流电阻不计，各电压表示数相同，下列说法正确的是( ) 图 4 A.灯 L1比灯 L2亮 B.灯 L3比灯 L1亮 C.灯 L2与灯 L3一样亮 D.灯 L1与灯 L3一样亮 答案 BC 解析 题图甲中电压表示数 UU1UL1，线圈对交流有阻碍作用，相当于串联了一个电阻， 根据电阻的分压作用可知 U10，灯泡两端电压 UL1C2,100 Hz50 Hz，所以 C 正确. 6.在如图 5 所示电路中，u 是有效值为 220 V 的交流电源，C 是电容器，R 是电阻.关于理想交 流电压表的示数，下列说法正确的是( ) 图 5 A.等于 220 V B.大于 220 V C.小于 220 V D.等于零 答案 C 解析 交变电流“通过”电容器，电阻 R 中有电流，电压表的示数不为零；电容器与电阻串 联，电容器对交流电有阻碍作用，根据串联分压原理可知电阻两端电压应小于电源电压，而 电压表测量的是电阻两端的电压，故选项 C 正确. 7.(多选)如图 6 所示，甲、乙两图中用交流电源，丙、丁两图中用直流电源，各电路图中灯泡、 电容器、电压表示数都相同，则下列说法正确的是( ) 图 6 A.灯 L1比灯 L2亮 B.灯 L3也能发光，但亮度最暗 C.灯 L2和 L4亮度相同 D.灯 L4比灯 L1亮 答案 CD 解析 电压表示数相同，说明交流电压的有效值相同.题图甲中电容器与灯 L1串联，电容器 对电流有阻碍作用；题图乙中电容器与灯 L2并联，电压表的示数为灯 L2两端的电压；题图 丙中电容器与灯 L3串联且是直流电源，电容器“隔直流，通交流” ，所以没有电流流过灯 L3， 灯 L3不亮 ； 题图丁中电容器与灯 L4并联， 电压表的示数为灯 L4两端的电压.综合以上分析， C、 D 两项正确. 考点三 电阻、电感、电容的对比 8.两个相同的白炽灯泡 L1和 L2接到如图 7 所示的电路中，灯 L1与电容器串联，灯 L2与电感 线圈串联.当 a、b 间接电压最大值为 Um、频率为 f 的正弦交流电源时，两灯都发光，且亮度 相同.更换一个新的正弦交流电源后，灯 L1的亮度低于灯 L2的亮度，新电源两极的电压最大 值和频率可能是( ) 图 7 A.最大值仍为 Um，而频率大于 f B.最大值仍为 Um，而频率小于 f C.最大值大于 Um，而频率仍为 f D.最大值小于 Um，而频率仍为 f 答案 B 解析 当将 a、b 接在电压最大值为 Um、频率为 f 的正弦交流电源两极之间时，两只灯泡都 发光，且亮度相同.而更换一个新电源后，灯 L1的亮度低于灯 L2的亮度，说明线圈的阻碍作 用比电容器的小，则新电源的频率小，B 项正确，A、C、D 项错误. 9.(2017·台州市高二检测)如图 8 所示的电路， 有直流和交流成分的电流通过， 为了尽量减少 R2 上的交流成分，应( ) 图 8 A.选用自感系数较大的线圈和电容较小的电容器 B.选用自感系数较小的线圈和电容较大的电容器 C.选用自感系数较小的线圈和电容较小的电容器 D.选用自感系数较大的线圈和电容较大的电容器 答案 D 10.(多选)如图9所示，当交流电源的电压(有效值)U220 V、频率f100 Hz时，三只灯泡L1、L2、 L3 的亮度相同(L 无直流电阻)，若将交流电源的频率变为 50 Hz，则( ) 图 9 A.L1灯比原来亮 B.L2灯比原来亮 C.L3灯和原来一样亮 D.L3灯比原来亮 答案 BC 解析 电容器对交流电的阻碍作用与交变电流的频率有关，电容器对低频交变电流的阻碍作 用大，所以选项 A 错误；电感器对交变电流的阻碍作用随频率的降低而减小，所以选项 B 正 确；电阻 R 对交变电流的阻碍作用与电源的频率无关，所以选项 C 正确，D 错误. 11.“二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器，它们的固有频率分别处于高音、低音频段， 分别称为高音扬声器和低音扬声器，音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按 高、低频段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、 低频的机械振动，如图 10 所示为音箱的电路图，高、低频混合电流由 a、b 端输入，L1和 L2 是线圈，C1和 C2是电容器，则( ) 图 10 A.甲扬声器是高音扬声器 B.C2的作用是阻碍高频电流通过乙扬声器 C.L1的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 D.L2的作用是减弱乙扬声器的低频电流 答案 D 解析 高频和低频交流电通入该电路，由于线圈通低频，阻高频，电容器通高频，阻低频， 所以低频交流电通过甲扬声器， 高频交流电通过乙扬声器， 故甲扬声器是低音扬声器， A 错误 ； C2的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器， B 错误 ； L1的作用是阻碍高频电流通过甲扬声器， C 错误；L2的作用是让低频交流电通过，减弱乙扬声器的低频电流，D 正确. 12.如图 11 所示电路中，L 是一个不计直流电阻的电感线圈，直流电源 1 的电压值与交流电 源 2 的电压有效值相等，S 是单刀双掷开关，C 是电容器，A、B 是完全相同的小灯泡，则下 列叙述正确的有( ) 图 11 A.开关 S 与 1 接通时，灯 B 逐渐变亮 B.开关 S 与 2 接通时，灯 B 的亮度比开关与 1 接通稳定后灯 B 的亮度高 C.开关 S 与 2 接通后，灯 B 发光，而灯 A 不发光 D.若将电源 2 换成一个既含有高频信号又含有低频信号的信号源，则当开关与 2 接通时，通 过灯 B 的主要是高频信号 答案 A 解析 开关 S 与 1 接通时，线圈阻碍电流的增大，所以灯 B 逐渐变亮，A 项正确；开关 S 与 2 接通后，由于线圈 L 对交流电的阻碍始终存在，所以灯 B 的亮度比开关与 1 接通稳定后 灯 B 的亮度暗，B 项错误；开关 S 与 2 接通后，交流电也可以“通过”电容器，所以灯 A 也 发光，C 项错误；线圈对交流电有通低频阻高频的作用，所以若将电源 2 换成一个既含有高 频信号又含有低频信号的信号源，则当开关与 2 接通时，通过灯 B 的主要是低频信号，D 项 错误.